大型轴流管壳式换热器中的深度换热

论文摘要

管壳式换热器具有机械密封性好、承压能力强等特点,是动力、能源、冶金、硫酸工业等行业的关键通用设备。换热器热流体与冷流体的出口温度比例α(αTH2TL2)可表征换热器的换热深度。当热流体的出口温度低于冷流体的出口温度即α＜1时,换热器进入深度换热状态。工业中有一些场合需要冷热流体作深度换热,例如在硫酸生产转化系统中SO2/SO3气体的换热,在乙烯或炼油系统中的冷热油料换热等。近些年来随着硫酸工业生产规模的扩大,转化工序中换热设备也越来越大型化。换热器大型化过程中,长径比（L/D）锐减的同时也伴随出现了深度换热难以实现的问题。在超大型换热器中采用壳程多通道结构是改善深度换热受限的有效方法,但其内部速度分布尚不清楚,本论文将对此进行研究。壳程多通道管壳式换热器相当于一个由若干个长宽比为L/W的并列分置管壳式换热器组成的换热器网络。在壳程多通道超大型管壳式换热器中,深度换热之所以得以实现是由于并列分置管束管壳式换热器的L/W远大于超大型管壳式换热器L/D,因此研究L/W与深度换热的关系很有必要。在本论文中,根据几何相似原理抽取壳程多通道超大型管壳式换热器中具有代表性的并列分置管束单元流路区域进行数值模拟研究,运用大型计算流体力学商业软件FLUENT研究了长宽比对并列分置管束单元流路区域模型的深度换热性能的影响,给出了并列分置管束单元流路区域的速度场分布,由于并列分置管束单元流路区域与壳程多通道大型管壳式换热器的壳程流路具有极高的相似性,所得结果对了解壳程多通道超大型管壳式换热器的壳程流路有意义。壳程多通道超大型管壳式换热器中可看作是由并列分置管束单元流路区域模型组成的换热器网络。本论文根据并列分置管束单元流路区域模型制造了5个并列分置管束管壳式换热器。运用实验与数值模拟相结合的方法对5个并列分置管束管壳式换热器的传热与流阻性能进行了研究。实验结果与数值模拟结果具有很好的一致性。建立了并列分置管束管壳式换热器实验平台,对实验装置与测试系统的可靠性进行了系统分析,得到了不同L/W的管壳式换热器的总传热系数,总结了L/W对管壳式换热器深度换热性能的影响规律。换热器的深度换热性能与长宽比L/W密切关联,随着换热器L/W的减小,换热器壳程流场分布越来越不均匀,换热器性能下降剧烈并且壳程压降急剧增大。在管壳程平均流速均为10 m·s-1时,冷热流体在长宽比L/W≥4.62的并列分置管束管壳式换热器可以进行深度换热,而在长宽比L/W≤3.08的并列分置管束管壳式换热器中不能产生深度换热。以温差场均匀性原则为指导,从管程与壳程温差场的协同关系角度分析了换热器性能随L W减小而下降的机理。将并列分置管束管壳式换热器划分为若干个微元,每个微元均可看作一个子换热器,在子换热器中,冷热流体的特征（平均）温度分别为t h和t c,所以对于每一个子换热器都存在着一个冷热流体温度差H ,从而在整个换热器中形成冷热流体的温差场H（x,y,z）=th（x,y,z）-tc（x,y,z）冷热流体温度场间的搭配,即温差场的特性本质决定了换热器的性能。冷热流体的温度场都是空间的函数,它们的函数形式越接近时,它们的协同就越好。在本论文中将并列分置管束管壳式换热器分为若干个子元素,通过数值模拟的方法将其内部温差场以二维图形式直观显现、计算了5个并列分置管束管壳式换热器的温差均匀性因子,定量表述了其温差场的均匀程度,经过分析得出结论:换热器深度换热性能随L/W的减小而下降是因为换热器温差场的均匀性随L/W的减小而下降,这与过增元院士提出的温差场均匀性原则是相符合的。换热效率不仅取决于冷热流体的进口温度差和传热单元数,还取决于冷热流体的流动形式（顺流、叉流、逆流）。逆流换热器之所以具有最高的换热效率是因为它的传热温差场最均匀,即同等条件下,错流、顺流换热器相对于逆流换热器温差场的不均匀程度反映了错流、逆流换热器中传热温差相对于逆流换热器传热温差的损失程度。在本论文中采用流路分析的方法对管壳式换热器壳程进出口折流区域的传热温差进行研究,并比较了不同换热深度条件下折流较纯逆流换热的传热温差损失。经数学分析知,为确保换热器能发生深度换热,应使换热器传热温差较纯逆流的偏移量小于5%,这可以通过控制折流区域面积占总传热面积的比例小于0.6/R1a,c来实现, R1a,c为临界点逆流冷流体出口、进口温差与平均温差之比。壳程多通道管壳式换热器已应用于工业生产系统中,换热效率较高,取得了很大的经济效益。本论文采用流道分区方法对壳程多通道管壳式换热器进行简化,在实验室条件下完成了其壳程流路分析,给出了其内部速度分布;通过实验和数值分析的方法研究了壳程多通道管壳式换热器的子换热器——并列分置管束管壳式换热器的L/W与其深度换热性能的关系,给出了L/W在何种范围内的并列分置管束管壳式换热器能发生深度换热;以温差场均匀性原则为指导进行了机理分析;采用流路分析的方法对不同换热深度条件下壳程折流区域较逆流的传热温差损失进行研究,给出了折流区域占总壳程面积的合理比例,这为壳程多通道超大型管壳式换热器的设计提供了理论依据,在工业应用中具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 强化传热技术理论
• 1.3 强化传热概述
• 1.3.1 管程强化传热
• 1.3.2 壳程强化传热
• 1.3.3 除垢强化传热
• 1.4 场协同理论
• 1.4.1 场协同理论的提出
• 1.4.2 场协同理论的发展
• 1.4.3 换热器温差场均性原则
• 1.5 课题来源及研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 壳程多通道管壳式换热器
• 2.1 引言
• 2.2 深度换热
• 2.2.1 深度换热的定义及所需场合举例
• 2.2.2 深度换热与流动形式
• 2.3 换热器壳程结构的改进
• 2.4 壳程多通道换热器的工业应用情况
• 2.5 并列分置管束的管子数目优化及采用方法
• 2.5.1 并列分置管束的管子数目优化
• 2.5.2 研究方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 不同长宽比壳程单元流路的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型的建立
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 控制方程组
• 3.2.3 计算方法和边界条件
• 3.2.4 网格的划分及数值模拟验证
• 3.3 结果及讨论
• 3.3.1 阻力分析
• 3.3.2 传热分析
• 3.3.3 速度场分布
• 3.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 不同长宽比换热器传热及流阻性能的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案
• 4.2.1 主要实验设备
• 4.2.2 实验流程
• 4.2.3 实验步骤
• 4.2.4 实验数据分析
• 4.2.5 实验数据的误差分析
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 实验系统可靠性验证
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 换热器深度换热因长宽比锐减而受限的机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 边界条件
• 5.3 实验结果与数值模拟结果对比
• 5.4 机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 换热器壳程流路分析及折流与逆流换热偏差的理论研究
• 6.1 引言
• 6.2 换热器逆流与折流区域流路的传热分析
• 6.2.1 换热器逆流区域流路的传热分析
• 6.2.2 换热器折流区域流路的传热分析
• 6.3 逆流与折流传热温差偏差分析
• 6.3.1 α=1时的逆流与折流传热温差偏差
• 1时的逆流与折流传热温差偏差'>6.3.2 α>1时的逆流与折流传热温差偏差
• 6.4 换热器的整体优化设计途径
• 6.5 验证
• 6.6 本章小结
• 结论
• 本课题的创新之处
• 展望和设想
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件